CN102351480A - 一种用于矿井冻结孔封孔的高性能注浆材料及制备方法 - Google Patents

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刘娟红
宋少民
纪洪广
卞立波
王林
周晓敏
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Abstract

本发明涉及一种用于矿井冻结孔封孔的高性能注浆材料及制备方法。一种用于矿井冻结孔封孔的新型高性能注浆材料，其特征在于它有基体组分和外掺组分制备而成；基体组分由普通硅酸盐水泥、粉煤灰、矿粉、膨胀剂和水组成；外掺组分由奈系高效减水剂、葡萄糖酸钠、三聚磷酸钠、引气剂组成。各组分的配比（kg/m3）为：普通硅酸盐水泥：600-800，粉煤灰：200-300，矿粉：200-300，膨胀剂：50-100，水：500-600，奈系高效减水剂：5-6，葡萄糖酸钠：0.35-0.45，三聚磷酸钠：0.35-0.45，引气剂：0.1-0.15。该方法制备的冻结孔封孔注浆材料具有强度高、流动性好和抗泌水性、抗收缩、高抗冻和抗渗透性能等特点。可用于矿井冻结孔封孔注浆。

Description

一种用于矿井冻结孔封孔的高性能注浆材料及制备方法
技术领域
本发明属于土木建筑材料类，涉及一种用于矿井冻结孔封孔的高性能注浆材料及制备方法。
背景技术
近年来，随着深层煤炭及各种矿体的开发，井筒深度不断加大。为确保井筒安全顺利施工，不少井筒采用一次冻全深的方法，将冻结深度延长到井筒底部10m左右，对表土层和基岩一起冻结，为打干井创造条件，都取得了很好的效果。由于冻结管需穿过井底马头门等硐室，井筒到底后，冻结壁自然解冻，很有可能在冻结管壁后形成上、下串通的导水通道。大量涌水和泥砂可能通过冻结管与围岩间的环形空间涌入井底，严重时可能造成突水淹井事故。为了保证施工安全，防止突水淹井事故发生，应在冻结孔施工时采取一定措施，封堵冻结管与围岩间的环形空间。目前一般的设计是对所有深孔冻结管壁后充填水泥浆，认为这样在冻结壁解冻后对隔绝冻结管壁后上、下含水层串通有一定的效果。但传统的水泥浆，水胶比大、强度低、保水性差、易泌水，围岩遇到注浆材料中泌出的大量水分后发生膨胀，围岩的强度大大降低。且水泥浆凝固后体积要收缩15 ％左右，在-35℃的环境下抗冻性和抗渗性差，使其过早失去防水能力，达不到隔绝冻结管壁后上、下含水层串通的效果。
因此，冻结孔封孔注浆材料在满足施工流动性的前提下，不但需要一定的强度，还需要良好的抗泌水、凝结时间可调、微膨胀、抗收缩、高抗冻和抗渗透性能、高耐久等特性。
发明内容
本发明目的在于提供一种用于矿井冻结孔封孔的新型高性能注浆材料及制备方法，该方法制备的冻结孔封孔注浆材料具有较高的强度，且流动性好和抗泌水性、凝结时间可调、抗收缩、高抗冻和抗渗透性能、高耐久等特性。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种用于矿井冻结孔封孔的新型高性能注浆材料，其特征在于它有基体组分和外掺组分制备而成；基体组分由普通硅酸盐水泥、粉煤灰、矿粉、膨胀剂和水组成；外掺组分由奈系高效减水剂、葡萄糖酸钠、三聚磷酸钠、引气剂组成。
各组分的配比（kg / m3）为：普通硅酸盐水泥：600-800，粉煤灰：200-300，矿粉：200-300，膨胀剂：50-100，水：500-600，奈系高效减水剂：5-6，葡萄糖酸钠：0.35-0.45，三聚磷酸钠：0.35-0.45，引气剂：0.1-0.15。
进一步，所述所述普通硅酸盐水泥的PO等级为42.5，比表面积小于350m2 / kg。
进一步，所述的粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，密度为2.4-2.6 g / cm3。
进一步，所述的矿粉比表面积为420-450 m2 / kg。
进一步，所述的膨胀剂限制膨胀率不小于0.025%。
进一步，所述的奈系高效减水剂的减水率为20%以上，固态。
进一步，所述的葡萄糖酸钠为白色粉末，纯度大于98%。
进一步，所述的三聚磷酸钠为白色粉末，纯度大于98%。
进一步，所述的引气剂为三萜皂甙粉。
上述的用于矿井冻结孔封孔的新型高性能注浆材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）原材料选取：各组分的配比（kg / m3）为：普通硅酸盐水泥：600-800，粉煤灰：200-300，矿粉：200-300，膨胀剂：50-100，水：500-600，奈系高效减水剂：5-6，葡萄糖酸钠：0.35-0.45，三聚磷酸钠：0.35-0.45，引气剂：0.1-0.15。
2）将称得的水泥、粉煤灰、矿粉、膨胀剂、水进行机械搅拌，搅拌时间为45秒，然后将称得的奈系高效减水剂、葡萄糖酸钠、三聚磷酸钠、引气剂加入，再搅拌45秒以上，得到矿井冻结孔封孔注浆材料。然后进行现场注浆。
本发明的有益效果是：采用的基本组分（水泥、粉煤灰、矿粉、膨胀剂、水）与外掺组分（奈系高效减水剂、葡萄糖酸钠、三聚磷酸钠、引气剂）按照配合比制备而成，通过控制浆体的流动度（18-22cm）和1小时的流动度保留值（16-18 cm）满足现场施工的要求；奈系高效减水剂、粉煤灰、矿粉、引气剂实现高流动性、抗收缩、高抗冻和抗渗透性能、高耐久的矿井冻结孔封孔注浆材料。本发明生产成本较低，克服现有冻结孔封孔材料收缩大，在负温环境下抗冻性和抗渗性差，且过早失去防水能力的缺点。
 
具体实施方式
实施例1 
原材料的选取：各组分的配比（kg / m3）为：普通硅酸盐水泥：600，粉煤灰： 300，矿粉：300，膨胀剂：100，水：500，奈系高效减水剂：6，葡萄糖酸钠：0.35，三聚磷酸钠：0.35，引气剂：0.1。备用；
所述的水泥为PO42.5的普通硅酸盐水泥，比表面积小于350m2 / kg；粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，密度为2.45 g / cm3；矿粉比表面积为430 m2 / kg；膨胀剂限制膨胀率0.028%；奈系高效减水剂的减水率为22%，固态；葡萄糖酸钠为白色粉末，纯度大于98%；三聚磷酸钠为白色粉末，纯度大于98%；引气剂为三萜皂甙粉。
将称得的水泥、粉煤灰、矿粉、膨胀剂、水进行机械搅拌，搅拌时间为45秒，然后将称得的奈系高效减水剂、葡萄糖酸钠、三聚磷酸钠、引气剂加入，再搅拌45秒以上，得到和易性好、性能优异的矿井冻结孔封孔注浆材料。
配合比见表1，注浆材料性能见表2。
 
实施例2 
原材料的选取：各组分的配比（kg / m3）为：普通硅酸盐水泥：700，粉煤灰： 250，矿粉：250，膨胀剂：75，水：550，奈系高效减水剂：5.5，葡萄糖酸钠：0.40，三聚磷酸钠：0.40，引气剂：0.12。备用；
所述的水泥为PO42.5的普通硅酸盐水泥，比表面积小于350m2 / kg；粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，密度为2.5 g / cm3；矿粉比表面积为440 m2 / kg；膨胀剂限制膨胀率0.03%；奈系高效减水剂的减水率为22%，固态；葡萄糖酸钠为白色粉末，纯度大于98%；三聚磷酸钠为白色粉末，纯度大于98%；引气剂为三萜皂甙粉。
将称得的水泥、粉煤灰、矿粉、膨胀剂、水进行机械搅拌，搅拌时间为45秒，然后将称得的奈系高效减水剂、葡萄糖酸钠、三聚磷酸钠、引气剂加入，再搅拌45秒以上，得到和易性好、性能优异的矿井冻结孔封孔注浆材料。
配合比见表1，注浆材料性能见表2。
 
实施例3 
原材料的选取：各组分的配比（kg / m3）为：普通硅酸盐水泥：800，粉煤灰： 200，矿粉：200，膨胀剂：50，水：600，奈系高效减水剂：5，葡萄糖酸钠：0.45，三聚磷酸钠：0.45，引气剂：0.15。备用；
所述的水泥为PO42.5的普通硅酸盐水泥，比表面积小于350m2 / kg；粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，密度为2.5 g / cm3；矿粉比表面积为440 m2 / kg；膨胀剂限制膨胀率0.03%；奈系高效减水剂的减水率为22%，固态；葡萄糖酸钠为白色粉末，纯度大于98%；三聚磷酸钠为白色粉末，纯度大于98%；引气剂为三萜皂甙粉。
将称得的水泥、粉煤灰、矿粉、膨胀剂、水进行机械搅拌，搅拌时间为45秒，然后将称得的奈系高效减水剂、葡萄糖酸钠、三聚磷酸钠、引气剂加入，再搅拌45秒以上，得到和易性好、性能优异的矿井冻结孔封孔注浆材料。
配合比见表1，注浆材料性能见表2。
表1  实施例配合比（kg / m3）
 序  PO42.5  粉煤灰  矿粉 膨胀剂 奈系减水剂 葡萄糖酸钠  三聚磷酸钠 引气剂  水
号   水泥
Figure 229484DEST_PATH_IMAGE001
1     600     300    300    100      6         0.35        0.35      0.1    500                        
2     700     250    250    75      5.5        0.40        0.40      0.12    550  
3     800     200    200    50      5         0.45        0.45      0.15    600  
表2  高性能注浆材料性能
序  流动度  1h流动度  泌水率 抗压强度 (MPa)  抗渗 -35℃冻28d  冻融  28d自由
号    cm         cm           %    1d   3d  28d   等级  后抗渗等级  次数  膨胀率%
Figure 445440DEST_PATH_IMAGE001
1     200     160             0    6.5   18.3  47.2   ＞18     ＞18    ＞100    0.04
2     210     170             0    7.0   21.3  46.4   ＞18     ＞18    ＞100    0.035
3     210     180             0    7.3   20.2  48.0   ＞18     ＞18    ＞100    0.035
表2结果表明：本发明可制备出强度高、流动性好和抗泌水性、抗收缩、高抗冻和抗渗透性能等特性的矿井冻结孔封孔注浆材料。
本发明所列举的各种原材料都能实现本发明，以及各原材料的上下限取值、区间值都能实现本发明。

Claims (10)

1.一种用于矿井冻结孔封孔的高性能注浆材料，其特征在于，该材料由基体组分和外掺组分制备而成；所述基体组分包括普通硅酸盐水泥、粉煤灰、矿粉、膨胀剂和水；所述外掺组分包括奈系高效减水剂、葡萄糖酸钠、三聚磷酸钠和引气剂；
各组分的配比为：普通硅酸盐水泥：600-800 kg / m3，粉煤灰：200-300 kg / m3，矿粉：200-300 kg / m3，膨胀剂：50-100 kg / m3，水：500-600 kg / m3，奈系高效减水剂：5-6 kg / m3，葡萄糖酸钠：0.35-0.45 kg / m3，三聚磷酸钠：0.35-0.45 kg / m3，引气剂：0.1-0.15 kg / m3。
2.根据权利要求1所述的所述一种用于矿井冻结孔封孔的高性能注浆材料，其特征在于：所述普通硅酸盐水泥的PO最低等级为42.5，比表面积小于350m2 / kg。
3.根据权利要求1所述的所述一种用于矿井冻结孔封孔的高性能注浆材料，其特征在于：所述的粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，密度为2.4-2.6 g / cm3。
4.根据权利要求1所述的所述一种用于矿井冻结孔封孔的高性能注浆材料，其特征在于：所述的矿粉比表面积为420-450 m2 / kg。
5.根据权利要求1所述的所述一种用于矿井冻结孔封孔的高性能注浆材料，其特征在于：所述的膨胀剂限制膨胀率不小于0.025%。
6.根据权利要求1所述的所述一种用于矿井冻结孔封孔的高性能注浆材料，其特征在于：所述的奈系高效减水剂的减水率为20%以上，固态。
7.根据权利要求1所述的所述一种用于矿井冻结孔封孔的高性能注浆材料，其特征在于：所述的葡萄糖酸钠为白色粉末，纯度大于98%。
8.根据权利要求1所述的所述一种用于矿井冻结孔封孔的高性能注浆材料，其特征在于：所述的三聚磷酸钠为白色粉末，纯度大于98%。
9.根据权利要求1所述的所述一种用于矿井冻结孔封孔的高性能注浆材料，其特征在于：所述的引气剂为三萜皂甙粉。
10.根据权利要求1所述的所述用于矿井冻结孔封孔的高性能注浆材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）原材料选取：各组分的配比为：普通硅酸盐水泥：600-800 kg / m3，粉煤灰：200-300 kg / m3，矿粉：200-300 kg / m3，膨胀剂：50-100 kg / m3，水：500-600 kg / m3，奈系高效减水剂：5-6 kg / m3，葡萄糖酸钠：0.35-0.45 kg / m3，三聚磷酸钠：0.35-0.4 kg / m35，引气剂：0.1-0.15 kg / m3；
2）将称得的水泥、粉煤灰、矿粉、膨胀剂、水进行机械搅拌，搅拌时间为45秒，然后将称得的奈系高效减水剂、葡萄糖酸钠、三聚磷酸钠、引气剂加入，再搅拌45秒以上，得到高性能注浆材料；然后进行现场注浆。
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